電力系統(tǒng)廣泛嵌入并深刻影響著經濟社會的發(fā)展，它的任何一些運行特征的變化以及與之相應的技術升級都會影響到國家和社會的諸多方面。當前，隨著能源供應和節(jié)能減排的約束日漸增強，大力發(fā)展可再生能源，提高清潔能源在電源結構中的比重將成為電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。大規(guī)模間歇性可再生能源并網使得供應側的可控性逐漸降低，隨機性逐漸增大，電力系統(tǒng)的基本運行特征也由此發(fā)生變化——由需求側單側隨機系統(tǒng)轉變?yōu)楣┬桦p側隨機系統(tǒng)。這種雙側隨機性特征對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了一系列挑戰(zhàn)，如何降低雙側隨機波動對電力系統(tǒng)運行的影響，將是電力行業(yè)未來很長一段時間面臨的重要課題。
電力系統(tǒng)的雙側隨機性特征
電力系統(tǒng)運行的關鍵在于滿足電能的實時供需平衡。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通過調整發(fā)電機組出力滿足需求側電力負荷的隨機波動，這種系統(tǒng)具有單側隨機性特征，通過負荷預測及優(yōu)化調度可以保證電能供需平衡及電網穩(wěn)定運行，電力系統(tǒng)的運行控制理論和實踐經驗主要衍生于單側隨機性系統(tǒng)。未來，以風能和太陽能光伏發(fā)電為主的可再生能源在整個電源結構中的比例將持續(xù)增長，由于風電和光伏發(fā)電具有波動性和間歇性特征，掌握這類機組出力的規(guī)律并對其有效預測將變得非常困難。這種情況下，供應側也出現(xiàn)隨機波動的特性，隨著可再生能源在電源結構中的比重不斷增加，供應側隨機性將更加明顯。也就是說，作為促進大規(guī)模可再生能源開發(fā)利用的載體，電力系統(tǒng)在供需雙側都呈現(xiàn)出隨機性特征，我們將這一特征稱為雙側隨機性。 電力系統(tǒng)雙側隨機性的出現(xiàn)具有一定的必然性。當前的環(huán)境承載能力已經不允許化石能源大量的開發(fā)利用，傳統(tǒng)化石能源難以支撐人類社會的可持續(xù)發(fā)展，能源結構轉型已經成為全球的必然趨勢。在電源結構中，可再生能源將逐步替代傳統(tǒng)的化石能源。然而，由于可再生能源的自然屬性以及當前電力系統(tǒng)技術的局限性，短期內無法解決可再生能源出力的間歇性和波動性問題。因此，雙側隨機性將成為未來電力系統(tǒng)的常態(tài)化特征。
雙側隨機性對電力系統(tǒng)的影響
在雙側隨機系統(tǒng)中，間歇性、波動性較大的可再生能源發(fā)電給供應側引入了一些自由變動的因素，使得供應側變得不是完全可控，這樣勢必對電力系統(tǒng)的各方面產生巨大影響，致使電力系統(tǒng)的安全、經濟運營面臨巨大挑戰(zhàn)。
雙側隨機性對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響
在雙側隨機系統(tǒng)中，可再生能源的隨機性、間歇性和波動性是對電網運行產生不利影響的主要原因。其對電網安全生產的影響主要表現(xiàn)在可再生能源的隨機功率差額及其投切過程給電網帶來的沖擊，并且可再生能源出力受環(huán)境和氣象等因素的影響較大，其發(fā)電設備和電氣設備也容易受到波動而發(fā)生故障。因此，雙側隨機系統(tǒng)性特征下電力系統(tǒng)的繼電保護、安全穩(wěn)定等方面將面臨巨大挑戰(zhàn)。未來，隨著可再生能源比例越來越大，電力系統(tǒng)所面臨的沖擊和挑戰(zhàn)必將不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響更為顯著，嚴重情況下可能會使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性，導致整個電力系統(tǒng)瓦解。
雙側隨機性對電網運行控制方式的影響
供應側的發(fā)電出力和需求側的負荷特性在雙側隨機性系統(tǒng)中的變動都將具有一定的波動性和不可預測性，使得電力系統(tǒng)的實時供需平衡增大了難度。在這種新的外部環(huán)境下要保證系統(tǒng)電力供需平衡，一方面需要供應側發(fā)電出力能夠跟蹤需求側負荷的變化，另一方面還要求需求側的電力用戶能夠響應系統(tǒng)的運行狀況。然而，在目前的運行控制觀念中，負荷往往被認為是剛性的，系統(tǒng)必須無條件地滿足用戶的用電需求，該控制邏輯默認用戶沒有能力或者不愿意改變其用電行為，需求側資源的可控性并沒有引起足夠的重視。因此，電力系統(tǒng)原有的運行方式和控制邏輯并不適用于雙側隨機系統(tǒng)。
雙側隨機性對電網調度計劃的影響
電網公司制定的調度計劃是實現(xiàn)系統(tǒng)供需實時平衡的關鍵。傳統(tǒng)單側隨機系統(tǒng)是基于對供應側的出力控制及需求側用戶的負荷預測來制定調度計劃，但在雙側隨機系統(tǒng)中，可再生能源出力的強隨機波動性、難以準確預測及反調峰的特性增大了系統(tǒng)調度的難度。同時，在雙側隨機系統(tǒng)中，可調度資源除了傳統(tǒng)的火電、水電、核電等電源外，還將增加儲能設備和需求側資源。也就是說，在雙側隨機系統(tǒng)的調度環(huán)節(jié)，調度對象由原有的需求側負荷不可控、供應側出力可控的系統(tǒng)變成一個供應側隨機性增強、各類可控資源總量增多，但可調度質量相對較差的電力系統(tǒng)，同傳統(tǒng)單側隨機系統(tǒng)相比，其電力調度計劃的制定依據(jù)必將存在很大不同。
雙側隨機性對電源規(guī)劃的影響 對供應側而言，規(guī)?；稍偕茉吹慕尤?，使得電網不得不面對強隨機波動的電源形式，從目前的實踐來看，多能源互補是平抑可再生能源電力隨機波動性的基本手段。然而，當前新能源與傳統(tǒng)能源電源建設規(guī)劃之間并不協(xié)調，隨著雙側隨機性特征的進一步加深，電源之間的相互影響將逐漸凸顯。此外，當前針對可再生能源的電源規(guī)劃明顯欠缺專業(yè)性，具體表現(xiàn)為新電源建設與電網規(guī)劃之間的不協(xié)調現(xiàn)象明顯。例如，我國西南省份大規(guī)模水電投產后即面臨大量棄水，三北地區(qū)棄風、棄光問題長期難以有效解決。供應側電源規(guī)劃的不協(xié)調問題一方面造成了資源的嚴重浪費，另一方面在很大程度上降低了供應側出力的可控性，加重了雙側隨機波動性對系統(tǒng)運行的影響。 如何應對電力系統(tǒng)雙側隨機性帶來的挑戰(zhàn) 在單側隨機系統(tǒng)向雙側隨機系統(tǒng)逐漸過渡的變革下，需要改變電力系統(tǒng)原有的規(guī)劃觀念和運行控制邏輯，筆者提出“區(qū)域多能源體”的理念和能源互聯(lián)網技術，并建議從電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和機制三方面入手，以應對雙側隨機性特征下電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。
“區(qū)域多能源體”的理念
“區(qū)域多能源體”是指一定區(qū)域內由能源供應主體、能源傳輸主體和能源消費主體構成的，各類能源資源多維協(xié)同、多方互動的一體化能源供用實體，是一個包含規(guī)劃、運行和體制機制三個層面的整體解決方案。在傳統(tǒng)方式無法解決問題的情況下，“區(qū)域多能源體”將成為平抑雙側隨機性、實現(xiàn)多能源利用協(xié)調配合的必然選擇。
從區(qū)域上講，“區(qū)域多能源體”是以能源資源稟賦、地理位置、國家能源發(fā)展戰(zhàn)略為主要考慮因素劃分的地域范圍，主要分為區(qū)域內部與跨區(qū)域兩個層面。首先，在區(qū)域內部層面上，構建包括能源開發(fā)利用、電能生產、電能傳輸、需求側用電四個環(huán)節(jié)的多能源實體，實現(xiàn)以上四個環(huán)節(jié)的有效協(xié)同。其次，在跨區(qū)域層面上，充分考慮多個“區(qū)域多能源體”之間的資源稟賦差異，依托高效電能傳輸平臺（如特高壓電網），實現(xiàn)多個“區(qū)域多能源體”之間的優(yōu)勢互補與有效協(xié)同。通過區(qū)域內、區(qū)域間的協(xié)同配合，降低整個電力系統(tǒng)的雙側隨機性。
從能源的供應與使用上講，“區(qū)域多能源體”一方面要求在一定區(qū)域內部實現(xiàn)能源資源的統(tǒng)籌規(guī)劃、整體開發(fā)、協(xié)同建設，形成各類能源資源的優(yōu)勢互補；另一方面要求實現(xiàn)電能生產與傳輸?shù)挠行浜?，同時將需求側資源納入到電力系統(tǒng)調控的范圍中來，配合儲能設施的有序充放電，實現(xiàn)需求側和供應側雙側的有機協(xié)調。
提倡“區(qū)域多能源體”理念的必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面：
一是“區(qū)域多能源體”能夠實現(xiàn)可再生能源有效利用、促進多種能源協(xié)調配合。“區(qū)域多能源體”理念強調可再生能源與傳統(tǒng)化石能源之間的協(xié)調配合，一方面，利用傳統(tǒng)化石能源發(fā)電的可調控性、靈活性彌補可再生能源的間歇性、波動性，形成不同類電源之間的有效協(xié)調配合與資源優(yōu)化配置，消除可再生能源并網障礙；另一方面，通過構建高效能源傳輸平臺，實現(xiàn)各能源體之間的相互協(xié)調配合，促進可再生能源電力的高效外送和消納。因此“區(qū)域多能源體”將是實現(xiàn)可再生能源電力優(yōu)化、合理開發(fā)利用的重要手段。
二是“區(qū)域多能源體”能夠優(yōu)化雙側隨機系統(tǒng)總體能源布局、促進能源開發(fā)利用一體化?！皡^(qū)域多能源體”強調根據(jù)各區(qū)域能源資源稟賦進行區(qū)域化的能源開發(fā)利用，突破時間和空間上的限制，在一定程度上實現(xiàn)區(qū)域能源一體化，通過區(qū)域內、區(qū)域間各類能源的合理規(guī)劃，提高能源利用效率，優(yōu)化雙側隨機系統(tǒng)總體能源布局，促進能源開發(fā)利用一體化，進而平抑供應側的隨機性。
三是“區(qū)域多能源體”能夠保證雙側隨機系統(tǒng)能源供需平衡、實現(xiàn)能源運輸體系有機協(xié)調?！皡^(qū)域多能源體”強調區(qū)域之間的能源優(yōu)勢協(xié)調互補，要求在加快建設鐵路、公路交通運輸網絡的同時，運用特高壓等高效能源傳輸平臺，實現(xiàn)輸煤、輸電并舉，將西北部的優(yōu)質可再生能源轉化為電的方式，輸送到東部加以有效利用，保證能源供需平衡的同時將顯著提高雙側隨機系統(tǒng)的綜合能源利用效率。
能源互聯(lián)網技術
能源互聯(lián)網是一種互聯(lián)網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等特征，其核心特征可概括為“橫向多能源互補，縱向源網荷儲協(xié)調”。在應對雙側隨機性變革問題時，能源互聯(lián)網的“縱向源網荷儲協(xié)調”可以起到關鍵作用?！霸础W—荷—儲”協(xié)調優(yōu)化技術是指電源、電網、負荷與儲能四部分通過多種交互手段，更經濟、高效、安全地提高電力系統(tǒng)的功率動態(tài)平衡能力，從而實現(xiàn)能源資源最大化利用的運行模式。通過智能電網技術、先進輸電技術、負荷響應技術及先進儲能技術作為支撐，實現(xiàn)電源與電網、電網與用戶、電源與用戶之間的資源優(yōu)化配置。該模式是包含電源、電網、用戶的整體解決方案的關鍵技術。
該技術主要包含以下三個方面：
源源互補。該技術能夠實現(xiàn)不同電源之間的有效協(xié)調互補，彌補可再生能源易受地域、環(huán)境、氣象等因素影響的缺點，克服單一新能源固有的隨機性和波動性的缺點，形成多樣化、協(xié)調互動的能源供應體系。
源網協(xié)調。該技術將實現(xiàn)新能源電源與電網的協(xié)調配合，可通過微網、智能配電網等技術將數(shù)量龐大、形式多樣的電源進行靈活、高效的組合應用，同時提高電網運行的自主調節(jié)能力，降低供應側隨機性給電網安全穩(wěn)定運行帶來的影響。
網荷儲互動。該技術將需求側資源視為與儲能、供應側資源相同的、可調控的資源，實現(xiàn)儲能、需求側資源與電網之間的能量雙向交互，從而使儲能、需求側資源能夠參與電網調控，引導需求側主動追尋可再生能源出力波動，配合儲能資源的有序充放電，增強電網運行的安全穩(wěn)定性。
與適用于傳統(tǒng)單側隨機系統(tǒng)的技術相比，能源互聯(lián)網下“源—網—荷—儲”協(xié)調優(yōu)化技術具有明顯的先進性。它能夠充分發(fā)揮需求側資源在電網運行中的調控作用，使電網、需求側資源形成真正的協(xié)調互動，保證電網的安全穩(wěn)定運行；能夠實現(xiàn)常規(guī)電源與新能源電源的協(xié)調配合，使可再生能源與具有良好調節(jié)和控制性能的可控電源的協(xié)調配合，讓可再生能源出力向可預測、可調控的方向發(fā)展；還能夠實現(xiàn)負荷、儲能與電源的協(xié)調互動與動態(tài)平衡，通過完善的信息交互，使電源、負荷不僅能感知自身狀態(tài)的變化，同時還能獲知其他模塊的全面信息，從而使電源、負荷、儲能相互之間的全面互動成為可能。
應對建議
一是規(guī)劃方面。當前的規(guī)劃模式不足以應對雙側隨機系統(tǒng)帶來的變革。當前的電力系統(tǒng)規(guī)劃僅注重供應側資源的規(guī)劃，對需求側資源重視不足。雙側隨機性系統(tǒng)中，供應側和需求側的統(tǒng)一規(guī)劃或高度協(xié)調規(guī)劃變得十分重要，而割裂這種整體性追求局部利益最大化無法應對雙側隨機性系統(tǒng)變革。也就是說，雙側隨機性系統(tǒng)要求雙側資源規(guī)劃，這種規(guī)劃可以理解為綜合資源規(guī)劃。在未來我國“十三五”能源規(guī)劃中應進一步重視需求響應資源，只有在規(guī)劃層面重視這種資源才有可能形成需求響應資源，并參與到實際的系統(tǒng)運行，從而更好地應對雙側隨機波動。
二是運行方面。當前的電力系統(tǒng)控制邏輯不適應雙側隨機性系統(tǒng)，電力系統(tǒng)需要改變其運行控制邏輯以應對雙側隨機性變革。未來的系統(tǒng)運行需要電源、電網、用戶之間協(xié)調互動，將需求響應資源等同于供應側資源參與到電力系統(tǒng)的運行控制和調度中來，通過雙向響應來應對系統(tǒng)的雙側隨機波動，即在考慮電源結構、負荷特性、時間尺度等因素的情況下，供應側資源不僅要響應需求側負荷變化，同時需求側資源也要有能力響應供應側的出力波動。現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)運行控制技術還難以實現(xiàn)上述的控制邏輯，未來電力系統(tǒng)的發(fā)展應當依托能源互聯(lián)網、智能電網等先進技術，實現(xiàn)電源與電網、電網與用戶、電源與用戶之間的資源優(yōu)化配置，更好地保障雙側隨機性系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
三是機制方面。應對雙側隨機性變革需要需求側資源參與電力系統(tǒng)運行。實現(xiàn)這一目標不僅需要技術上的突破，還需要體制機制的合理安排。目前，現(xiàn)有的電力管理體制在激勵需求側資源參與系統(tǒng)運行方面還有待完善。而作為連接供應側和需求側的樞紐，電網企業(yè)在整個電力系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置方面起著關鍵作用，電網企業(yè)的真正優(yōu)勢是基于綜合資源規(guī)劃的理念將供應側和需求側資源進行最優(yōu)組合，開展“大節(jié)能”的工作，即站在整個系統(tǒng)的角度，在需要供應側時投資供應側資源，在需要需求側響應時，投資需求側資源。做到這一點的前提是電網企業(yè)回歸公用事業(yè)，只有作為公用事業(yè)，電網企業(yè)才有動力開展“大節(jié)能”的工作。然而，現(xiàn)有機制對電網企業(yè)的考核過度重視經濟性指標，而且相應的節(jié)能減排等公用任務指標與經濟性指標本質上是存在一定矛盾的，導致了電網企業(yè)需要像營利性商業(yè)企業(yè)一樣追求售電量和利潤，在節(jié)能減排工作上缺乏積極性。因此，應對雙側隨機性系統(tǒng)變革需要在體制層面上對電網企業(yè)重新定位，使其回歸公用事業(yè)，基于綜合資源規(guī)劃的理念開展系統(tǒng)性“大節(jié)能”的工作。（本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（綜合）2016年5期，作者系華北電力大學教授、博士生導師，華北電力大學能源與電力經濟咨詢研究中心主任。華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室歐陽邵杰對本文亦有貢獻）
